清華大學高層建筑結構精品課程及教材建設

紀曉東　錢稼茹　趙作周

摘要：回顧總結了40年來清華大學高層建筑結構課程教學實踐和教材建設，重點介紹了近20年來以“厚基礎、重實踐、求創(chuàng)新”為特色的人才培養(yǎng)，以及“價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授”的“三位一體”教育理念在高層建筑結構課程和教材建設中的踐行，包括：（1）教材組織架構創(chuàng)新，更符合結構設計的思維邏輯；（2）突出基本概念和設計理論，重點講授“活”的、“可遷移”的知識；（3）通過課外程序計算和設計型作業(yè)延展課堂，有效形成課內(nèi)、課外雙輪驅(qū)動；（4）結合新結構體系的發(fā)明，采用問題導向式的研討型授課，啟發(fā)創(chuàng)新思維。

關鍵詞：高層建筑結構；課程建設；教材建設；人才培養(yǎng)；創(chuàng)新思維

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2023）01-0088-08

一、課程和教材建設的沿革

現(xiàn)代高層建筑是商業(yè)化、城市化和工業(yè)化的產(chǎn)物，于19世紀末起源于美國。當今，高層建筑已遍及全球，成為現(xiàn)代城市的標志，為人類的經(jīng)濟、文化和生產(chǎn)活動提供空間。高層建筑結構是承擔各類荷載、抵抗風和地震的骨架（圖1）。我國是一個多地震國家，按《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）［1］，我國所有國土面積均需抗震設防。在地震作用下，建筑結構的傾覆力矩與其高度的平方成正比，頂部水平位移與其高度的4次方成正比。建筑越高，抗震設計難度越大。設計安全、經(jīng)濟、高效的抗震結構，是我國高層建筑結構設計的主要任務。

20世紀70年代中后期，北京建造前三門住宅工程，成為內(nèi)地高層建筑快速發(fā)展的起點。隨著改革開放的不斷深入，社會發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展提出了建造更高更多高層建筑的需求。如何設計安全、實用、經(jīng)濟、美觀的高層建筑結構，對于不熟悉高層建筑結構抗震設計的工程技術人員是一個很大的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)相關專業(yè)技術人員迫在眉睫。為此，清華大學于1978年在國內(nèi)率先開設了高層建筑結構課程，作為土木工程系（當時為建筑工程系）本科生建筑結構類的專業(yè)課，并組織編寫了《多層和高層建筑結構設計》講義。40余年來，該課程一直是清華大學土木工程系的主要專業(yè)課，為培養(yǎng)專業(yè)技術人才做出了貢獻。

縱觀40余年來該課程的教學實踐和教材建設，可大致分為兩個階段，這兩個階段與我國高層建筑的發(fā)展密切相關。第一階段為1980—2000年，我國內(nèi)地的高層建筑建設經(jīng)歷第一個發(fā)展期，高層建筑以鋼筋混凝土結構為主，結構計算為手算和簡單程序計算。這一階段的課程教學內(nèi)容主要介紹高層建筑鋼筋混凝土結構體系、近似計算方法和抗震設計方法。為支撐課程教學，包世華教授和方鄂華教授于1985年編寫了第一代《高層建筑結構設計》［2］。這是國內(nèi)的最早一批高層建筑結構設計教材。該教材內(nèi)容深入淺出，具有科學性、系統(tǒng)性和實踐性。在結構計算方面，根據(jù)當時我國高層建筑結構設計狀況，主要介紹適合手算的近似計算方法，輔之以介紹適合電算的矩陣位移法；在結構設計方面，重點介紹高層建筑鋼筋混凝土結構的抗震概念設計和抗震設計方法。該教材通過介紹國內(nèi)外最新科研成果（例如：底部大空間剪力墻結構和筒中筒結構的計算方法，剪力墻結構的抗震設計等），開闊學生的眼界。該教材也成了建筑結構設計人員的參考書，在建筑結構工程界有廣泛的影響。1987—1989年間，建筑結構的主要設計規(guī)范和規(guī)程先后完成修訂，高層建筑結構設計和施工的理論和實踐也有所發(fā)展。1990年修訂出版了第二版《高層建筑結構設計》（圖2a），在清華大學的高層建筑結構課程教學中一直使用到2002年。第一代《高層建筑結構設計》教材被國內(nèi)眾多高校土建類專業(yè)教學所采用，為我國建筑結構工程人才的培養(yǎng)發(fā)揮了積極作用。

2000年至今為第二階段，我國高層建筑建設進入全盛期，建筑高度突破600 m，發(fā)展之快在全世界史無前例，中國一躍成為世界上高層建筑最多的國家。圖3所示為1949—2021年我國超高層建筑的數(shù)量統(tǒng)計。截至2021年，我國100 m以上的建筑達到9 719棟，150 m以上的建筑達到2 970棟，250 m以上的建筑達到247棟；其中大部分是2000年之后建造的。與豐富的工程實踐相伴的是高層建筑結構設計和建造的理論研究及技術創(chuàng)新的極大發(fā)展。新型結構體系和高性能組合構件大量涌現(xiàn)，鋼結構、鋼-混凝土混合結構廣泛用于高層建筑，消能減震技術在高層建筑中推廣使用，復雜的彈塑性計算分析和性能化設計成為超限高層建筑結構設計日常。第一階段的課程內(nèi)容和教材已經(jīng)不能適應新的要求，迫切需要調(diào)整和擴充教學內(nèi)容，編寫新的教材，支撐課程建設。清華大學高層建筑結構方向的主講教授和骨干教師于2003年編寫出版了第二代《高層建筑結構設計》教材［3］，并于2012年和2018年兩次修訂（圖2b）。該教材已累計印刷37次，印數(shù)23.07萬本，被國內(nèi)上百所高校選用，受到廣泛好評。該教材是高校土木工程專業(yè)指導委員會規(guī)劃推薦教材（“經(jīng)典精品系列教材”），被列入普通高等教育土建類學科專業(yè)“十五”規(guī)劃教材、普通高等教育土建類學科專業(yè)“十二五”規(guī)劃教材、“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材、住房和城鄉(xiāng)建設部土建類學科專業(yè)“十三五”規(guī)劃教材，獲清華大學優(yōu)秀教材特等獎、北京市高等教育教學成果二等獎。

二、新時期教學改革和教材建設的挑戰(zhàn)

2003年第二代《高層建筑結構設計》教材出版以來的20年間，清華大學教育教學理念不斷發(fā)展，課程和教材是體現(xiàn)大學教育教學理念的主要載體，高層建筑結構的課程改革和教材修編也呈現(xiàn)、反映和回應教育教學理念的發(fā)展。

2010年清華大學總結建校百年來人才培養(yǎng)的經(jīng)驗，明確“厚基礎、重實踐、求創(chuàng)新”是清華人才培養(yǎng)的特色，其中“求創(chuàng)新”是新時代的突出要求和清華新百年必須承擔的歷史責任。土木工程結構設計本身就兼具理論性和實踐性，高層建筑結構又是土木工程的一門重要專業(yè)課，其課程教學理應具有“厚基礎”和“重實踐”的特色。如何“求創(chuàng)新”，這是本課程教學改革的難點和重點。

2014年，清華大學召開了第24次教育工作討論會，確立了價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”的教育理念。相應地，課堂教學由“以教師為中心”向“以學生為中心”轉(zhuǎn)變，強調(diào)培養(yǎng)學生自主學習和獨立思考能力；授課方式由“講授型教學”向“研究型教學”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學生的批判性思維和創(chuàng)新思維。高層建筑結構課程教學如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)變，如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，這也是本課程教學改革的難點和重點。

近20年來，高層建筑結構課程不斷探索教學改革創(chuàng)新，兩次修訂了《高層建筑結構設計》教材，目前正在進行第三次修訂，授課教師和教材編者反復思考并力爭回答上述教學改革中的挑戰(zhàn)性問題，目的是建設一門高質(zhì)量、有內(nèi)涵的精品課程，打造一本經(jīng)得起檢驗、與時俱進的精品教材。

三、課程和教材建設的特色創(chuàng)新

近20年來的高層建筑結構課程和教材建設中，主要開展了以下四個方面有特色的創(chuàng)新工作。

（一）教材組織架構創(chuàng)新，體現(xiàn)先進性

內(nèi)容創(chuàng)新是一本教材創(chuàng)新的靈魂，第二代《高層建筑結構設計》教材從內(nèi)容體系上進行變革，構建了全新的內(nèi)容構架。（1）第一代教材只介紹高層建筑鋼筋混凝土結構設計，本教材增加了民用建筑鋼結構設計、高層建筑混合結構設計、消能減震結構設計三個章節(jié)，極大地豐富和擴展了教材內(nèi)容，反映了這三種結構類型在我國高層建筑中的應用與發(fā)展。（2）第一代教材分5章用大量篇幅介紹不同結構體系的近似計算方法，本教材加大了結構程序計算的比重，減弱了近似計算方法的公式推導，保留了近似計算方法的基本內(nèi)容，將重點放在通過近似計算闡明結構概念和結構受力變形規(guī)律，形成“近似計算方法”和“結構程序計算”兩個并重章節(jié)。（3）本教材體現(xiàn)高層建筑結構設計的共性要求，將各類結構（鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋼-混凝土混合結構）的設計基本要求集中到設計要求這一章介紹，便于學生理解和使用。

通過上述改革，形成了結構體系—結構荷載—設計要求—結構計算（近似計算和程序計算）—結構設計（鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋼-混凝土混合結構、消能減震結構）這一全新的教材架構體系［4］，如圖4所示。圍繞這一架構設置11章，各章彼此聯(lián)系，前后呼應，有機結合，更符合結構設計的思維邏輯，便于學生學習掌握。

（二）突出基本概念和設計理論，強調(diào)“活”的知識

設計理論包括設計的概念和原理，其中概念是理論的基石，原理反映理論的思想本質(zhì)。在如今信息查取方便、結構設計高度程序化的時代，規(guī)范計算公式中某些參數(shù)

的具體取值，已經(jīng)無需作為講授重點；設計原理和基本概念才是結構設計知識的本質(zhì)和精華，是“活”的、“可遷移”的核心知識，而“唯有‘活的知識才有助于學習者以新穎的方式理解和解決問題，‘死的知識反而會束縛學習者的思維”［5］。高層建筑結構課程教學和教材編制突出強調(diào)了抗震基本概念和抗震設計理論，通過震害分析、結合科研成果，深入闡述高層建筑結構抗震基本概念和抗震設計原則。比如：能力設計法、延性結構等基本理論，正是高層建筑結構抗震設計中需要深度理解的“活”的知識，需要花時間、下力氣講清楚其內(nèi)容和背后的思想，使學生知其然、知其所以然。

在講授各類高層建筑結構體系和結構構件的抗震設計時，采用基本設計理論統(tǒng)攝繁復的設計規(guī)定，并在具體的設計規(guī)定中讓學生反復體會和深入理解設計理論的精妙之處。比如：Robert Park教授和Thomas Paulay教授提出能力設計法，其思想本質(zhì)是用工程智慧解決地震動不確定性造成的結構響應和破壞模式的不確定性問題，“告訴結構在地震中怎么做”［6］。如圖5所示，其基本原理：（1）設定有利于結構抗地震倒塌的屈服機制，預設允許屈服的構件及其屈服的部位；（2）調(diào)整承載力大小關系，使屈服發(fā)生在預設構件的預設部位，同時避免不利于構件抗震的破壞模式；（3） 對預設構件的預設部位進行構造設計，使其具有所需的變形能力，避免達到峰值承載力后突然喪失承載能力。在鋼筋混凝土框架抗震設計的講授中，梁鉸屈服機制屬于（1）；強柱弱梁、強節(jié)點、強剪弱彎的承載力調(diào)整屬于（2）；框架梁端、柱端箍筋加密屬于（3）。在剪力墻設計、鋼支撐框架設計等不同章節(jié)講授中，一以貫之地通過能力設計法這個總綱來挈領設計規(guī)定，力爭學生能夠舉一反三，從繁復的設計規(guī)定中找到知識的內(nèi)在聯(lián)系。

（三）與設計規(guī)范和程序計算結合，彰顯實踐性

結構類課程的教學不能紙上談兵，高層建筑結構課程應該是連接基本理論和實際工程的“橋梁”。為了讓課程更加貼近工程實際，更有利于學生在后續(xù)的本科畢設或工作后盡快進入角色，課程教學和教材內(nèi)容都重視實踐性。《高層建筑結構設計》教材將理論與設計規(guī)范、程序計算有機結合，比較系統(tǒng)地介紹了我國現(xiàn)行規(guī)范關于高層建筑結構設計的荷載、計算方法、設計要求和抗震措施，以及常用結構設計軟件的程序計算原理。一方面將課程知識外延拓展到規(guī)范規(guī)定和程序計算，另一方面，學習規(guī)范規(guī)定和程序計算可加深對基本理論的理解。

為培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力，課程教學中引入“做”，通過完成程序計算作業(yè)和設計大作業(yè)，讓學生在動手中掌握、深化課堂知識，形成課內(nèi)學習和課外學習雙輪驅(qū)動。目前，結構設計分析軟件（如SAP2000、PKPM、盈建科等）為本科生完成設計計算類作業(yè)提供了便利。針對高層建筑結構中的一些重要概念，比如框架結構和剪力墻結構側(cè)移模式、框筒結構剪力滯后、模擬施工計算、聯(lián)肢墻的耦合效應等可以設計為計算作業(yè)，學生通過定量計算加深對結構概念的理解，達到強化、硬化概念的效果，在“做”中提升用程序解決工程問題的能力。設計大作業(yè)融匯課程的主要知識點，通過大作業(yè)定期課外輔導，形成與課堂學習并行的另一條學習主線。圖6所示為某次設計大作業(yè)，要求學生完成北京一棟50層高層建筑框架-核心筒結構方案設計。學生需綜合應用課程所學，把多個章節(jié)知識點串起來才能完成該作業(yè)。大作業(yè)設置了展示講評環(huán)節(jié)，邀請有設計經(jīng)驗的工程師點評，加深了學生對結構抗震設計概念和設計要求的理解，也鍛煉了學生總結陳述的能力。大作業(yè)的效果，與題目能否引起學生的興趣、能否對學生能力形成挑戰(zhàn)有關，也與輔導、講評、討論的質(zhì)量相關，需要教師和助教相當大的投入，可以說是一種“昂貴”的教學形式。清華大學土木工程系高層建筑結構課程是小班教學，設計大作業(yè)的成效顯著，較好地鍛煉了學生自主學習的能力和解決工程問題的能力。

（四）結合新結構體系的發(fā)明，采用問題導向式的研討型授課，啟發(fā)創(chuàng)新思維

高層建筑結構是土木工程系本科第4學年課程，作為結構工程方向的“收口”課程，從知識上需要從“基本構件”上升到“結構體系”；從能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)上，需要掌握如何用基本構件形成高效抗震結構體系。為此，《高層建筑結構設計》教材從以下方面加強對結構體系的介紹分析。（1）系統(tǒng)闡述高層建筑各類結構體系的特點、適用高度，在風、地震作用下的受力性能，及其抗風、抗震基本要求。（2）收集整理了大量國內(nèi)外典型高層建筑結構工程實例，通過對工程實例的分析，加深學生對結構體系的理解。

隨著建筑高度不斷增加，學者和工程師們不斷發(fā)明新的結構構件和新的結構體系。在課程講授中，不只是講授新構件、新結構的特點，還采用問題導向式進行研討，追根溯源，引導學生討論如何“用思想解決問題”，從而啟發(fā)學生創(chuàng)新思維和深度思考。比如：介紹1960年代美國高層建筑“高度加價”效應時，引導學生討論為什么框架結構限制了建筑的高度，再講授Frazlur R. Khan博士發(fā)明的框筒結構、束筒結構等，引導學生討論為什么這些結構可以更高，且實現(xiàn)了安全與經(jīng)濟的統(tǒng)一；又如，由鋼框架抗側(cè)剛度不足和墻板延性不足為問題導向，講授武藤清教授發(fā)明鋼框架-帶豎縫混凝土墻板體系的思想和實踐；再如，由中心支撐的受壓屈曲為問題導向，講授美國Egor P. Popov教授［7］和日本Akira Wada教授等［8，9］，分別研發(fā)偏心支撐框架和防屈曲支撐框架的創(chuàng)造性工作（圖7）。問題導向式的研討型授課能激發(fā)學生興趣，將學生快速帶入深度思考狀態(tài)。在課堂中啟發(fā)創(chuàng)新思維，關鍵是讓學生面臨挑戰(zhàn)性問題，并呈現(xiàn)給他們真正創(chuàng)新性的工作，讓他們“有榜樣”可鑒。此外，授課教師選擇性地將自己在高層建筑結構領域的最新研究引入課堂，將當前高層建筑工程實踐中的挑戰(zhàn)性問題引入課堂，現(xiàn)實感和代入感更強，也能激發(fā)學生的科研興趣和創(chuàng)新熱情。

四、結語

“厚基礎、重實踐、求創(chuàng)新”是清華大學人才培養(yǎng)的特色。這一特色體現(xiàn)在高層建筑結構課程教學和教材建設就是“學”“做”“思”三個維度：學“活”的、“可遷移”的知識，做工程設計型大作業(yè)，在問題導向式的研討中多思考。“學”以收獲知識，“做”以鞏固知識提高能力，“思”以開啟創(chuàng)新思維，“學”“做”“思”互為促進、相互融通。

高層建筑結構課程作為一門土木工程領域的專業(yè)課，其內(nèi)涵和外延必須隨高層建筑的發(fā)展而發(fā)展。當前，輕質(zhì)、高強、耐久、高性能結構材料不斷涌現(xiàn)，基于延性的抗震設計向基于韌性的抗震設計跨越，結構設計向智能化、信息化發(fā)展。有必要將新理論、新知識和新技術引入到課程教學和教材中，作為“源頭活水”，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才不斷提供真材實料。

參考文獻：

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Development of excellent course and textbook of high-rise building structure in Tsinghua University

JI Xiaodong，? QIAN Jiaru，? ZHAO Zuozhou

（School of Civil Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， P. R.? China）

Abstract： This paper reviews the teaching practice and textbook writing of the high-rise building structure course in Tsinghua University in the past 40 years. It mainly presents the effort in the course development and textbook writing in the past 20 years to reflect the talent cultivation featured with “deep foundation， practice training and innovation capability” and “three-pronged approach” of education that integrates the shaping of values， the cultivating of skills and the imparting of knowledge. The following aspects are included： （1） to reorganize the structure of the textbook to make it more consistent with the logic of structural design; （2） to highlight the basic concepts and design theories， and focus on teaching “l(fā)iving” and “transferable” knowledge; （3） to extend the class through the program-based calculation and design-type homework， thus effectively forming “dual wheel drive” in class and out of class; （4） to adopt the problem-oriented teaching in the introduction of the structural system innovation， for inspiring students innovative thinking.

Key words： high-rise building structure; course development; textbook compilation; talent cultivation; innovative thinking

（責任編輯 梁遠華）

修回日期：2022-12-25

成果獲獎：2021年北京市高等教育教學成果獎二等獎；2020年度清華大學優(yōu)秀教材特等獎

作者簡介：紀曉東（1979—），男，清華大學土木水利學院土木工程系長聘副教授，博士，主要從事高層建筑結構抗震教學與研究，（E-mail）jixd@mail.tsinghua.edu.cn。